道砟胶对道床参数的影响研究

王 斌,包进荣,杨冠岭,陈 嵘,王 平

(西南交通大学土木工程学院,成都 610031)

随着轨道交通的发展,列车速度已经由原来几十公里每小时,发展到 350 km/h,高速列车从无砟轨道向有砟轨道过渡时,巨大的冲力会导致道砟的振动、道床粉化,严重时甚至会造成道砟飞溅。日本采用铁丝网防止道砟飞溅,而京津城际采用了道砟胶防止道砟飞溅,郑西客运专线也采用道砟胶增强道床稳定,延长道床的养护维修周期。此外,国内外还应用道砟胶改变道床刚度、提高道床阻力等,但并没有具体资料可查。为进一步了解道砟胶的性能,发挥其在改善道床参数等方面的作用,有必要进行深入的试验研究。本文通过在试验室进行轨道实尺模型试验,测试了喷道砟胶前后的道床纵向阻力、横向阻力、支承刚度,并进行了对比分析。

1 道床模型设计

在试验室铺设实尺试验轨道,直接铺设在刚性承轨台上,因此没有路基的影响[1]。试验所采用的道砟为一级道砟,根据我国铁路的道床顶面宽度与坡度的对应关系正线无缝线路曲线半径≤600 m时,道床顶面宽度为 3.5 m,边坡坡度为 1∶1.75,本试验采用这一标准[2]。整个模型捣固程度相同,可认为道砟具有相同的密度。此试验按每公里铺设1667根Ⅲ型枕计算,则 2根轨枕中心线之间的距离为 0.6 m,最外边轨枕中心距道床挡台 0.4 m,试验中共铺设 8根轨枕,按Ⅲ型枕来设计道床长度,则有 L=0.6×7+0.4×2=5 m。道床厚度为 500 mm。

道砟胶为聚氨酯树脂粘合剂,由两种组分化合而成,每种组分各由几种单体经过化学反应得到。喷胶前保证道砟干燥。在枕底、轨枕间及砟肩都喷胶,喷胶量为 48 kg/m3。

2 道床纵向阻力测试方法及结果分析

2.1 道床纵向阻力测试方法

在两根轨枕之间放设液压千斤顶,使千斤顶的加载位置为轨枕长度方向的中间,受纵向力的轨枕的两端侧面安装百分表,见图1,测量轨枕的纵向位移,施加纵向力,采集百分表的读数。其中一轨枕两端侧面的位移量平均值为轨枕的纵向位移,即百分表1与 2的位移量平均值[3]。每组测完,记录卸载 5 min内的回弹量。

图1 道床纵向阻力测试示意

2.2 道床纵向阻力试验结果分析

由试验时所加的荷载和测得的轨枕位移均值,可以得出单根轨枕的道床纵向阻力与轨枕位移的关系曲线。道床未喷道砟胶和喷胶以后,轨枕的道床纵向阻力与位移的关系曲线分别如图2、图3所示。

图2 未喷道砟胶时道床纵向阻力

图3 喷道砟胶后道床纵向阻力

未喷胶轨枕位移 2 mm时的道床纵向阻力为 20 kN,主要由枕底摩擦力和枕盒内石砟被动阻抗压力产生,2 mm后轨枕滑动,位移不可逆。3组数据都是加载到极限荷载,此后力减小,位移持续增长。第一组数据比较离散,取后 2组数据最大值的平均值,可得此时道床纵向阻力为 168.2 kN,是没有喷胶时阻力值的8.4倍,对应的位移平均值为 1.22 mm。5 min内可以恢复位移的 90.5%。喷胶后道砟与轨枕粘结,形成整体,此时的道床纵向阻力主要由枕底、轨枕两端与道砟的粘结,以及轨枕一侧道床整体的被动阻抗压力产生。

3 道床横向阻力测试方法及结果分析

3.1 道床横向阻力测试方法

利用反力墙用液压千斤顶对轨枕施加一定的横向力作用,测定轨枕的横向位移,从而定出道床的最大横向力,即为道床横向阻力。轨枕的一端安装百分表,见图4,测量轨枕的横向位移,施加横向力,采集百分表的读数,位移量平均值为轨枕的横向位移,即百分表1与 2的位移量平均值[4～5]。每组测完,记录卸载 5 min内的回弹量。

图4 道床横向阻力测试示意

3.2 道床横向阻力试验结果分析

由试验时所加的荷载和测得的轨枕位移均值,可以得出单根轨枕的道床横向阻力与轨枕位移的关系曲线。道床未喷道砟胶和喷胶以后,轨枕的道床横向阻力与位移的关系曲线分别如图5、图6所示。

图5 未喷道砟胶时道床横向阻力

图6 喷道砟胶后道床横向阻力

未喷胶轨枕位移 2 mm时的道床横向阻力为 10.2 kN,由枕底摩擦力、枕侧道砟摩擦力以及砟肩阻力 3部分组成产生,2 mm后轨枕滑动,位移不可逆。图6中 4组数据都是加载到极限荷载,此后力减小,位移持续增长。道床和轨枕粘结成整体,力达到极限时,道床模型发生整体位移。加载轨枕的绝对位移与本试验条件有直接关系,因此本试验记录试验枕相对于相邻轨枕的位移。第一组数据比较离散,取后 3组数据最大值的平均值,可得此时道床横向阻力为 176.5 kN,是没有喷胶时阻力值的 17.3倍,对应的相对位移平均值为 0.43 mm。卸载后 5 min内恢复位移的 90.8%。此时的道床横向阻力主要由枕底粘结力,枕侧道砟粘结力以及喷胶后砟肩阻力产生。

4 道床支承刚度测试方法及结果分析

4.1 道床支承刚度测试方法

利用横梁作反力墙,用电动液压千斤顶对轨枕施加一定的竖向力作用 P,测定轨枕的竖向位移 y,由公式 D=P/(2×y)可算出钢轨支点处的道床刚度。百分表的布置如图7所示,施加竖向力,采集百分表的读数,位移量平均值为轨枕的竖向位移,即百分表1、2与3的位移量平均值[6]。本次试验加到 90k N,此时枕底压强没有超过道砟的容许压应力(0.5 MPa),道床的变形可视为线性。每组测完,记录卸载 5 min内的回弹量。

图7 道床支承刚度测试示意

4.2 道床支承刚度试验结果分析

根据公式 D=P/(2×y),由测得的竖向力及其对应的竖向位移可以计算出道床支承刚度。道床未喷胶时和喷胶以后,支承刚度和竖向力的关系曲线分别如图8、图9所示 。

图8 未喷道砟胶时道床支承刚度

图9 喷道砟胶后道床支承刚度

未喷胶道床在竖向力的作用下反复测几组,道砟越压越密实,道床支承刚度也越来越大,最后稳定。支承刚度 D与竖向力 P呈线性关系,拟合线性方程为:第一组 D=175.292-0.753×P,第二组 D=282.234-0.615×P,第三组和第四组数据比较接近,共同拟合线性方程为:D=300.017-0.464×P。

喷胶后,测得的第一组数据比较离散,对二、三组数据进行拟合,可以得到此工况下的拟合线性方程:D=428.941-0.753×P。卸载 5 min内位移恢复了90.3%。

第一组与其后几组测试结果之间离散性比较大,这是由于道砟颗粒在此荷载范围内有一个再排列或压实的过程所致。未喷胶道床的道砟经过再排列趋于稳定,喷胶后道砟颗粒经过压实接近稳定的弹性状态,只要荷载条件维持不变,两种道床最后都呈现弹性可恢复的特性,压力与沉降之间具有较好的线性关系。

道床支承刚度并不是一个定值,它与竖向力 P线性相关。道床稳定时,喷胶前后的支承刚度见表1。

由于基础为刚性,且加载几次后道砟被压密实,道床稳定后,未喷胶时的刚度值较大,大于《铁路轨道设计规范》中线路开通时所要求的最小值 100 kN/mm。但试验条件相同,可以进行喷胶前后道床支承刚度变化的比较。竖向力为 140kN时,有胶道床的刚度比无胶时 88.4 kN/mm,提高了 37.6%。

表1 喷胶前后道床稳定时支承刚度比较

5 结论

(1)道砟胶可以起到增加道床纵、横向阻力的作用。喷胶量为 48 kg/m3时,如果枕底、枕间及砟肩都喷道砟胶,道床纵向阻力可以提高 8.5倍左右,70%左右的纵向阻力是由试验轨枕一侧道床整体的被动阻抗压力提供;横向阻力可以提高 17.4倍左右,85%左右的横向阻力由枕侧道砟粘结力以及喷胶后砟肩阻力提供。试验时卸载后轨枕 5min内可以恢复位移的 90%左右,而没有喷胶的道床轨枕位移 2 mm后出现滑动,并且位移不可逆。

(2)道砟胶可以起到调整道床支承刚度的作用。试验表明,道床支承刚度并不是一个定值,它与竖向力P线性相关。道床支承刚度的提高主要依赖于轨枕侧面、端部与道砟的粘结,因此,实际应用中要提高刚度须在轨枕之间及砟肩喷胶,而不能仅在轨枕底部道砟喷胶。当竖向力为 140 kN,枕底、轨枕之间及砟肩都喷胶,喷胶量为 48 kg/m3时,支承刚度可以提高37.6%。卸载 5 min内轨枕位移可以恢复 90%左右。

(3)道砟胶组织后的道床边坡更加稳定。道砟粘成整体,不会发生飞砟现象。喷胶后道砟仅在接触点粘结,排水性能不受影响。

[1] 刘丽波,王午生.铁路碎石道床静刚度的试验研究[J].上海铁道大学学报,2000(4):1-6.

[2] 李成辉.轨道[M].成都:西南交通大学出版社,2005.

[3] 万 轶,林红松,刘学毅,等.有砟轨道道床纵向阻力缩尺模型试验研究[J].铁道建筑,2006(5):80-81.

[4] 曾树谷.铁路轨道动力测试技术[M].北京:中国铁道出版社,1988.

[5] 曾树谷.重载线路的道砟、道床[R].北京:北京铁道科学研究院铁路建筑研究所,1991.

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